Azione antiossidante del sulforafane: analisi in cellule cardiache in coltura ed in un modello animale di esercizio fisico

Oxidative stress is considered to be of major relevance for a variety of pathological processes. Thus, it is valuable to identify compounds, which might act as antioxidants, i.e. compounds that antagonize the deleterious action of reactive oxygen species (ROS) on biomolecules. The mode of action of these compounds could be either to scavenge ROS directly or to trigger protective mechanisms inside the cell, thereby resulting in improved defense against ROS. Sulforaphane (SF) (1-isothiocyanato-(4R)-(methylsulfinyl)butane) is a naturally occurring cancer chemopreventive agent found as a precursor glucosinolate in Cruciferous vegetables like broccoli. Although SF is not a direct-acting antioxidant, there is substantial evidence that SF acts indirectly to increase the antioxidant capacity of animal cells and their abilities to cope with oxidative stress. Induction of phase 2 enzymes is one means by which SF enhances the cellular antioxidant capacity. Enzymes induced by SF include Glutathione S-transferases (GST) and NAD[P]H:quinone oxidoreductase (NQO1) which can function as protectors against oxidative stress. To protect themselves from oxidative stress, cells are equipped with reducing buffer systems including the GSH and thioredoxin (Trx) reductase. GSH is an important tripeptide thiol which in addition to being the substrate for GSTs maintains the cellular oxidation– reduction balance and protects cells against free radical species. Aim of the first part of this thesis was to investigate the ability of SF to induce the expression and the activity of different phase 2 and antioxidant enzymes (such as GST, GR, GPx, NQO1, TR, SOD, CAT) in an in vitro model of rat cardiomyocytes, and also to define if SF treatment supprts cells in counteracting oxidative stress induced by H2O2 It is well known that acute exhaustive exercise causes significant reactive oxygen species generation that results in oxidative stress, which can induce negative effects on health and well being. In fact, increased oxidative stress and biomarkers (e.g., protein carbonyls, MDA, and 8- hydroxyguanosine) as well as muscle damage biomarkers (e.g. plasmatic Creatine cinase and Lactate dehydrogenase) have been observed after supramaximal sprint exercises, exhaustive longdistance cycling or running as well as resistance-type exercises, both in trained and untrained humans. Markers of oxidative stress also increase in rodents following exhaustive exercise. Moreover, antioxidant enzyme activities and expressions of antioxidant enzymes are known to increase in response to exhaustive exercise in both animal and human tissues. Aim of this project was to evaluate the effect of SF supplementation in counteracting oxidative stress induced by physical activity through its ability to induce phase 2, and antioxidant enzymes in rat muscle. The results show that SF is a nutraceutical compound able to induce the activity of different phase 2 and antioxidant enzymes in both cardiac muscle and skeletal muscle. Thanks to its actions SF is becoming a promising molecule able to prevent cardiovascular damages induced by oxidative stress and muscle damages induced by acute exhaustive exercise.

Synthesis and characterization of Poly(vinylphosphonic acid) for proton exchange membranes in fuel cells

Vinylphosphonic acid (VPA) was polymerized at 80 ºC by free radical polymerization to give polymers (PVPA) of different molecular weight depending on the initiator concentration. The highest molecular weight, Mw, achieved was 6.2 x 104 g/mol as determined by static light scattering. High resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy was used to gain microstructure information about the polymer chain. Information based on tetrad probabilities was utilized to deduce an almost atactic configuration. In addition, 13C-NMR gave evidence for the presence of head-head and tail-tail links. Refined analysis of the 1H NMR spectra allowed for the quantitative determination of the fraction of these links (23.5 percent of all links). Experimental evidence suggested that the polymerization proceeded via cyclopolymerization of the vinylphosphonic acid anhydride as an intermediate. Titration curves indicated that high molecular weight poly(vinylphosphonic acid) PVPA behaved as a monoprotic acid. Proton conductors with phosphonic acid moieties as protogenic groups are promising due to their high charge carrier concentration, thermal stability, and oxidation resistivity. Blends and copolymers of PVPA have already been reported, but PVPA has not been characterized sufficiently with respect to its polymer properties. Therefore, we also studied the proton conductivity behaviour of a well-characterized PVPA. PVPA is a conductor; however, the conductivity depends strongly on the water content of the material. The phosphonic acid functionality in the resulting polymer, PVPA, undergoes condensation leading to the formation of phosphonic anhydride groups at elevated temperature. Anhydride formation was found to be temperature dependent by solid state NMR. Anhydride formation affects the proton conductivity to a large extent because not only the number of charge carriers but also the mobility of the charge carriers seems to change.

Oxidation photochemistry in the remote marine boundary layer

Die bedeutendste Folge der Luftverschmutzung ist eine erhöhte Konzentration an Ozon (O3) in der Troposphäre innerhalb der letzten 150 Jahre. Ozon ist ein photochemisches Oxidationsmittel und ein Treibhausgas, das als wichtigste Vorstufe des Hydroxyradikals OH die Oxidationskraft der Atmosphäre stark beeinflusst. Um die Oxidationskraft der Atmosphäre und ihren Einfluss auf das Klima verstehen zu können, ist es von großer Bedeutung ein detailliertes Wissen über die Photochemie des Ozons und seiner Vorläufer, den Stickoxiden (NOx), in der Troposphäre zu besitzen. Dies erfordert das Verstehen der Bildungs- und Abbaumechanismen von Ozon und seiner Vorläufer. Als eine für den chemischen Ozonabbau wichtige Region kann die vom Menschen weitgehend unberührte marine Grenzschicht (Marine boundary layer (MBL)) angesehen werden. Bisher wurden für diese Region jedoch kaum Spurengasmessungen durchgeführt, und so sind die dort ablaufenden photochemischen Prozesse wenig untersucht. Da etwa 70 % der Erdoberfläche mit Ozeanen bedeckt sind, können die in der marinen Granzschicht ablaufenden Prozesse als signifikant für die gesamte Atmosphäre angesehen werden. Dies macht eine genaue Untersuchung dieser Region interessant. Um die photochemische Produktion und den Abbau von Ozon abschätzen zu können und den Einfluss antrophogener Emissionen auf troposphärisches Ozon zu quantifizieren, sind aktuelle Messergebnisse von NOx im pptv-Bereich für diese Region erforderlich. Die notwendigen Messungen von NO, NO2, O3, JNO2, J(O1D), HO2, OH, ROx sowie einiger meteorologischer Parameter wurden während der Fahrt des französischen Forschungsschiffes Marion-Dufresne auf dem südlichen Atlantik (28°S-57°S, 46°W-34°E) im März 2007 durchgeführt. Dabei sind für NO und NO2 die bisher niedrigsten gemessenen Werte zu verzeichnen. Die während der Messcampagne gewonnen Daten wurden hinsichtlich Ihrer Übereinstimmung mit den Bedingungen des photochemischen stationären Gleichgewichts (photochemical steady state (PSS)) überprüft. Dabei konnte eine Abweichung vom PSS festgestellt werden, welche unter Bedingungen niedriger NOx-Konzentrationen (5 bis 25pptv) einen unerwarteten Trend im Leighton-Verhältnis bewirkt, der abhängig vom NOx Mischungsverhältnis und der JNO2 Intensität ist. Signifikante Abweichungen vom Verhältnis liegen bei einer Zunahme der JNO2 Intensität vor. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Abweichung vom PSS nicht beim Minimum der NOx-Konzentrationen und der JNO2 Werte liegt, so wie es in bisherigen theoretischen Studien dargelegt wurde und können als Hinweis auf weitere photochemische Prozesse bei höheren JNO2-Werten in einem System mit niedrigem NOx verstanden werden. Das wichtigste Ergebnis dieser Untersuchung, ist die Verifizierung des Leighton-Verhältnisses, das zur Charakterisierung des PSS dient, bei sehr geringen NOx-Konzentrationen in der MBL. Die bei dieser Doktorarbeit gewonnenen Erkenntnisse beweisen, dass unter den Bedingungen der marinen Granzschicht rein photochemischer Abbau von Ozon stattfindet und als Hauptursache hierfür während des Tages die Photolyse gilt. Mit Hilfe der gemessenen Parameter wurde der kritische NO-Level auf Werte zwischen 5 und 9 pptv abgeschätzt, wobei diese Werte im Vergleich zu bisherigen Studien vergleichsweise niedrig sind. Möglicherweise bedeutet dies, dass das Ozon Produktion/ Abbau-Potential des südlichen Atlantiks deutlich stärker auf die Verfügbarkeit von NO reagiert, als es in anderen Regionen der Fall ist. Im Rahmen der Doktorarbeit wurde desweiteren ein direkter Vergleich der gemessenen Spezies mit dem Modelergebnis eines 3-dimensionalen Zirkulationsmodel zur Simulation atmosphären chemischer Prozesse (EMAC) entlang der exakten Schiffsstrecke durchgeführt. Um die Übereinstimmung der Messergebnisse mit dem bisherigen Verständnis der atmosphärischen Radikalchemie zu überprüfen, wurde ein Gleichgewichtspunktmodel entwickelt, das die während der Überfahrt erhaltenen Daten für Berechungen verwendet. Ein Vergleich zwischen der gemessenen und der modellierten ROx Konzentrationen in einer Umgebung mit niedrigem NOx zeigt, dass die herkömmliche Theorie zur Reproduktion der Beobachtungen unzureichend ist. Die möglichen Gründe hierfür und die Folgen werden in dieser Doktorarbeit diskutiert.

The role of oxidative stress in C. elegans aging

The free radical theory of aging postulates that aging is caused by damage induced by oxidative stress. Such stress is present when the production of reactive oxygen species (ROS) exceeds the cellular antioxidant capacity. Hydrogen peroxide (H2O2) is one of the most abundant ROS. It is produced as a by-product by several enzymes and acts as second messenger controlling the activity of numerous cellular pathways. To maintain H2O2 levels that are sufficiently high to allow signaling to occur, but low enough to prevent damage of cellular macromolecules, the production and removal of H2O2 must be tightly regulated.rnWhen we investigated the effects of peroxide stress in the nematode C. elegans, we found that exogenous as well as endogenous peroxide stress causes age-related symptoms. We identified 40 target proteins of hydrogen peroxide that contain cysteines that get oxidized upon peroxide stress. Oxidation of redox-sensitive cysteines has been shown to regulate numerous cellular functions and likely contributes to the peroxide-mediated decrease in motility, fertility, growth rate and ATP levels. By monitoring the oxidation status of proteins over the lifespan of C. elegans, we discovered that many of the identified peroxide-sensitive proteins are heavily oxidized at distinct stages in life. As the free radical theory of aging predicts, we found oxidation to be significantly elevated in senescent worms. However, we were also able to identify numerous proteins that were significantly oxidized during the development of C. elegans. To investigate whether a correlation exists between developmental oxidative stress and lifespan, we monitored protein oxidation in long- and short-lived strains. We found that protein oxidation in short-lived C. elegans larvae was significantly increased. Additionally short-lived worms were incapable of recovering from the oxidative stress experienced during development which resulted in the inability to establish reducing conditions for the following reproductive phase. Long-lived C. elegans, on the other hand, did only experience a mild increase in protein oxidation in the developmental phase and were able to recover faster from oxidative stress than wild type worms. rnBecause many proteins that are sensitive to oxidation by H2O2 became oxidized in aging C. elegans, we monitored endogenous hydrogen peroxide concentrations over C. elegans lifespan and discovered that peroxide levels are significantly elevated in development. This suggests that the observed developmental protein oxidation is peroxide-mediated. The early onset of oxidative stress might be a result of increased metabolic activity in C. elegans development but could also represent the requirement of ROS dependent signaling events. Our results indicate that longevity is dependent on the worm’s ability to cope with this early boost of oxidants.rn

Hydrogels for DNA isolation from blood

This dissertation describes the synthesis of surface attached hydrogel biomaterials, characterization of their properties, evaluation of structuring concepts and the investigation of these materials in the isolation of DNA from human whole blood. Photosensitive hydrogel precursor materials on the basis of hydroxyethylmethacrylate (HEMA) were synthesized by free radical polymerization. In order to obtain surface bound hydrogel films, the precursors were deposited on a suitable substrate and subsequently irradatiated with UV - light to accomplish the formation of crosslinks in the film and create surface attachment. The composition of the polymerization precursor materials was determined by comprehensive NMR and GPC studies, revealing the copolymerizationrnbehaviour of the used monomers - HEMA derivatives and the photocrosslinkerrnMABP - and their respective distribution in the hydrogel precursors. The degree of crosslinking of the hydrogels was characterized with UV/vis spectroscopy. Stress-strain measurements were conducted in order to investigate the mechanical properties of the biomaterials. Moreover, the swelling process and biomolecule adsorption properties of the hydrogels were investigated with SPR/OW spectroscopy. For this, the deposition and binding of the hydrogels on gold or SiO2 surfaces was facilitated with photocrosslinkable adhesion promotors. The produced hydrogels were mechanically rigid and stablernunder the conditions of PCR and blood lysis. Furthermore, strategies towards the increase of hydrogel surface structure and porosity with porosigens, 2D laser interference lithography and photocleavable blockcopolymers were investigated. At last, a combinatorial strategy was used for the determination of the usefulness of hydrogels for the isolation from DNA from blood. A series of functionalized hydrogel precursors were synthesized, transferred to the surface inside a PCR tube and subsequently screened in regard to DNA adsorption properties with Taqman quantitative PCR. This approach yielded a promising candidate for a functional PCR tube coating that would allow the entire DNA isolation procedure being carried out in a single reaction container.rnThereforce, the practical application of such macromolecular architectures can be envisioned to improve industrial DNA diagnostic processes.

Magnetische Multischalenpartikel für den Transport von siRNA

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines nichtviralen, effizienten Transfektionsmittels mit einer Kern-Schale-Struktur in der Größenordnung bis 100 nm. Dafür werden magnetische, negativ geladene Eisenoxid-Nanopartikel mittels Thermolyse mit einem Durchmesser von 17 nm synthetisiert und in Wasser überführt. Diese Nanopartikel bilden den Kern des Erbgut-Trägers und werden mittels Layer-by-Layer –Verfahren (LbL) mit geladenen Polymeren, den bioabbaubaren Makromolekülen Poly-L-Lysin und Heparin, beschichtet. Dafür wird zunächst eine geeignete Apparatur aufgebaut. Diese wird zur Herstellung von Kern-Schale-Strukturen mit fünf Polyelektrolytschichten verwendet und liefert Partikel mit einem hydrodynamischen Durchmesser von 58 nm, die bei Abwesenheit von niedermolekularem Salz aggregatfrei sind. Das System wird gegen Salz stabilisiert, indem die letzte Poly-L-Lysin-Schicht mit Polyethylenglycol modifiziert wird. Die so entstandenen Multischalenpartikel zeigen weder im PBS-Puffer noch in humanem Serum Aggregation. Mittels winkelabhängiger dynamischer Lichtstreuung wird die Aggregatbildung kontrolliert, während ζ-Potential-Messungen die Kontrolle der Oberflächenladung erlauben.rnDa siRNA auf Grund ihres negativ geladenen Phosphat-Rückgrats ebenfalls ein Polyelektrolyt ist, wird sie aggregatfrei auf die positiv geladenen PLL-Nanopartikel aufgetragen. Die eingesetzte siRNA ist farbstoffmarkiert, um eine Detektion in vitro zu ermöglichen. Jedoch sind die entstandenen Komplexe mittels Fluoreszenzkorrelations-spektroskopie (FCS) nicht nachweisbar. Auch die Fluoreszenzmarkierung der PEGylierten Außenschale mittels kupferfreier Click-Chemie ist in der FCS nicht sichtbar, sodass eine Fluoreszenzauslöschung der Farbstoffe in den Multischalenpartikeln vermutet wird.rn

Synthese und Charakterisierung von Polymer-Wirkstoff-Antikörper-Konjugaten zur Anwendung in der Krebsimmuntherapie

Polymere Wirkstoffsysteme gewinnen im Bereich der biomedizinischen Forschung immer größeres Interesse. Vielversprechende Systeme für die Entwicklung von neuartigen Krebs-immun¬therapien stellen insbesondere Polymer-Konjugate dar. Das ideale Polymer-Konjugat besitzt eine Größe zwischen 10 nm und 100 nm, ist nicht zytotoxisch und zeigt keine Aggregation in humanem Blutserum. In der vorliegenden Arbeit wurde die Synthese und Charakterisierung von Polymer-Wirkstoff-Konjugaten zur Anwendung in der Krebsimmuntherapie behandelt. Erstes Ziel der Arbeit war es, geeignete polymere Trägersysteme für die in vivo Anwendung zu finden. Hierzu wurde zunächst die Stabilität verschiedener potentieller polymerer Träger-systeme (Nanohydrogele, Succinyliertes-Poly-L-Lysin (Bürste), ELP-Bürsten und Poly(2-oxazolin)bürsten) in humanem Serum untersucht. Weiterhin wurde die unspezifische Zellaufnahme in murinen dendritischen Zellen (DCs) analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass vor allem neutrale bzw. zwitterionische Partikel eine hohe Serumstabilität sowie keine unspezifische Zellaufnahme zeigen. Um eine gezielte Adressierung der DCs des Immunsystems zu erreichen und dadurch eine Immunantwort gegenüber einem bestimmten Krebs Zelltyp zu induzieren, wurden Biokonjugate - auf Basis der Succinylierten-Poly-L-Lysin-(Bürste) sowie der Azid-funktionalisierten Poly(2-oxazolin)bürste (POx) – entwickelt, da diese Polymerbürsten keine bzw. kaum unspezifische Aufnahme in DCs zeigen. Hierbei diente der Antikörper aDEC205 der gezielten Adressierung von CD8+ DCs. Die weiteren bioaktiven Komponenten waren das tumorassoziierte Antigen (TAA) mit der Kernsequenz SIINFEKL zur Induktion einer spezifischen Immunantwort sowie der immunaktivierende TLR9 Ligand, CpG1826. Die Komponenten wurden nacheinander an die Fluoreszenz-markierten Polymere kon¬jugiert. Die Konjugation des Antikörpers erfolgte nach vorangegangener DIBO-Modifizierung über kupferfreie Click-Chemie. Mit einer optimierten Aufarbeitungsmethodik gelang es, aggregat-freie, unimere DIBO-modifizierte aDEC205 Antikörper zu isolieren. Für die succinylierten Poly-L-Lysine konnten keine eindeutigen sowie reproduzierbaren Ergebnisse erhalten werden, sodass sich im weiteren Verlauf der Arbeit auf die POx konzentriert wurde. Die Konjugation von aDEC205 an POx wurde mittels verschiedener physiko-chemischer Methoden (UV-VIS, SDS-PAGE, FCS, GPC, CLSM und FACS) gezeigt. Mit Hilfe von „Specific-Hybridization-Internalisation-Sensor“ Experimenten konnte eine spezifische Aufnahme des Konjugats in CD8+ DCs nachgewiesen werden. rnDie Konjugation von Antigen und CpG erfolgte ebenso nach entsprechender Modifizierung über kupferfreie Click-Chemie. SDS-PAGE, UV-VIS und FCS bestätigten eine erfolgreiche Kopplung. T-Zell-Proliferationsversuche ergaben für Antigen enthaltende Polymer-Konjugate eine CD8+ T-Zell-Aktivierung. Des Weiteren zeigten die POx keine bemerkenswerte Toxizität und deren Konjugate keine Aggregation in humanem Serum. rnrnDarüber hinaus wurde der Einfluss verschiedener Polymertopologien auf ihre Biodistribution sowie Blutzirkulation untersucht. Für die nach GPC-Fraktionierung erhaltenen verschiedenen Polymerfraktionen - hochmolekulare wurmartige Polymerbürsten, ellipsoidartige Polymer-bürsten und niedermolekulare kugelförmige Moleküle - konnten vielversprechende Ergebnisse erhalten werden.

The sensitivity of the photostationary state of NOx and its implication for the oxidation capacity in a semi-rural and boreal forest region

Für das Vermögen der Atmosphäre sich selbst zu reinigen spielen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) eine bedeutende Rolle. Diese Spurengase bestimmen die photochemische Produktion von Ozon (O3) und beeinflussen das Vorkommen von Hydroxyl- (OH) und Nitrat-Radikalen (NO3). Wenn tagsüber ausreichend Solarstrahlung und Ozon vorherrschen, stehen NO und NO2 in einem schnellen photochemischen Gleichgewicht, dem „Photostationären Gleichgewichtszustand“ (engl.: photostationary state). Die Summe von NO und NO2 wird deshalb als NOx zusammengefasst. Vorhergehende Studien zum photostationären Gleichgewichtszustand von NOx umfassen Messungen an unterschiedlichsten Orten, angefangen bei Städten (geprägt von starken Luftverschmutzungen), bis hin zu abgeschiedenen Regionen (geprägt von geringeren Luftverschmutzungen). Während der photochemische Kreislauf von NO und NO2 unter Bedingungen erhöhter NOx-Konzentrationen grundlegend verstanden ist, gibt es in ländlicheren und entlegenen Regionen, welche geprägt sind von niedrigeren NOx-Konzetrationen, signifikante Lücken im Verständnis der zugrundeliegenden Zyklierungsprozesse. Diese Lücken könnten durch messtechnische NO2-Interferenzen bedingt sein - insbesondere bei indirekten Nachweismethoden, welche von Artefakten beeinflusst sein können. Bei sehr niedrigen NOx-Konzentrationen und wenn messtechnische NO2-Interferenzen ausgeschlossen werden können, wird häufig geschlussfolgert, dass diese Verständnislücken mit der Existenz eines „unbekannten Oxidationsmittels“ (engl.: unknown oxidant) verknüpft ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird der photostationäre Gleichgewichtszustand von NOx analysiert, mit dem Ziel die potenzielle Existenz bislang unbekannter Prozesse zu untersuchen. Ein Gasanalysator für die direkte Messung von atmosphärischem NO¬2 mittels laserinduzierter Fluoreszenzmesstechnik (engl. LIF – laser induced fluorescence), GANDALF, wurde neu entwickelt und während der Messkampagne PARADE 2011 erstmals für Feldmessungen eingesetzt. Die Messungen im Rahmen von PARADE wurden im Sommer 2011 in einem ländlich geprägten Gebiet in Deutschland durchgeführt. Umfangreiche NO2-Messungen unter Verwendung unterschiedlicher Messtechniken (DOAS, CLD und CRD) ermöglichten einen ausführlichen und erfolgreichen Vergleich von GANDALF mit den übrigen NO2-Messtechniken. Weitere relevante Spurengase und meteorologische Parameter wurden gemessen, um den photostationären Zustand von NOx, basierend auf den NO2-Messungen mit GANDALF in dieser Umgebung zu untersuchen. Während PARADE wurden moderate NOx Mischungsverhältnisse an der Messstelle beobachtet (10^2 - 10^4 pptv). Mischungsverhältnisse biogener flüchtige Kohlenwasserstoffverbindungen (BVOC, engl.: biogenic volatile organic compounds) aus dem umgebenden Wald (hauptsächlich Nadelwald) lagen in der Größenordnung 10^2 pptv vor. Die Charakteristiken des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx bei niedrigen NOx-Mischungsverhältnissen (10 - 10^3 pptv) wurde für eine weitere Messstelle in einem borealen Waldgebiet während der Messkampagne HUMPPA-COPEC 2010 untersucht. HUMPPA–COPEC–2010 wurde im Sommer 2010 in der SMEARII-Station in Hyytiälä, Süd-Finnland, durchgeführt. Die charakteristischen Eigenschaften des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx in den beiden Waldgebieten werden in dieser Arbeit verglichen. Des Weiteren ermöglicht der umfangreiche Datensatz - dieser beinhaltet Messungen von relevanten Spurengasen für die Radikalchemie (OH, HO2), sowie der totalen OH-Reaktivität – das aktuelle Verständnis bezüglich der NOx-Photochemie unter Verwendung von einem Boxmodell, in welches die gemessenen Daten als Randbedingungen eingehen, zu überprüfen und zu verbessern. Während NOx-Konzentrationen in HUMPPA-COPEC 2010 niedriger sind, im Vergleich zu PARADE 2011 und BVOC-Konzentrationen höher, sind die Zyklierungsprozesse von NO und NO2 in beiden Fällen grundlegend verstanden. Die Analyse des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx für die beiden stark unterschiedlichen Messstandorte zeigt auf, dass potenziell unbekannte Prozesse in keinem der beiden Fälle vorhanden sind. Die aktuelle Darstellung der NOx-Chemie wurde für HUMPPA-COPEC 2010 unter Verwendung des chemischen Mechanismus MIM3* simuliert. Die Ergebnisse der Simulation sind konsistent mit den Berechnungen basierend auf dem photostationären Gleichgewichtszustand von NOx.

Immune Activation Reduces Sperm Quality in the Great Tit

Mounting an immune response against pathogens incurs costs to organisms by its effects on important life-history traits, such as reproductive investment and survival. As shown recently, immune activation produces large amounts of reactive species and is suggested to induce oxidative stress. Sperm are highly susceptible to oxidative stress, which can negatively impact sperm function and ultimately male fertilizing efficiency. Here we address the question as to whether mounting an immune response affects sperm quality through the damaging effects of oxidative stress. It has been demonstrated recently in birds that carotenoid-based ornaments can be reliable signals of a male's ability to protect sperm from oxidative damage. In a full-factorial design, we immune-challenged great tit males while simultaneously increasing their vitamin E availability, and assessed the effect on sperm quality and oxidative damage. We conducted this experiment in a natural population and tested the males' response to the experimental treatment in relation to their carotenoid-based breast coloration, a condition-dependent trait. Immune activation induced a steeper decline in sperm swimming velocity, thus highlighting the potential costs of an induced immune response on sperm competitive ability and fertilizing efficiency. We found sperm oxidative damage to be negatively correlated with sperm swimming velocity. However, blood resistance to a free-radical attack (a measure of somatic antioxidant capacity) as well as plasma and sperm levels of oxidative damage (lipid peroxidation) remained unaffected, thus suggesting that the observed effect did not arise through oxidative stress. Towards the end of their breeding cycle, swimming velocity of sperm of more intensely colored males was higher, which has important implications for the evolution of mate choice and multiple mating in females because females may accrue both direct and indirect benefits by mating with males having better quality sperm.

β-Caryophyllene ameliorates cisplatin-induced nephrotoxicity in a cannabinoid 2 receptor-dependent manner

(E)-β-caryophyllene (BCP) is a natural sesquiterpene found in many essential oils of spice (best known for contributing to the spiciness of black pepper) and food plants with recognized anti-inflammatory properties. Recently it was shown that BCP is a natural agonist of endogenous cannabinoid 2 (CB(2)) receptors, which are expressed in immune cells and mediate anti-inflammatory effects. In this study we aimed to test the effects of BCP in a clinically relevant murine model of nephropathy (induced by the widely used antineoplastic drug cisplatin) in which the tubular injury is largely dependent on inflammation and oxidative/nitrative stress. β-caryophyllene dose-dependently ameliorated cisplatin-induced kidney dysfunction, morphological damage, and renal inflammatory response (chemokines MCP-1 and MIP-2, cytokines TNF-α and IL-1β, adhesion molecule ICAM-1, and neutrophil and macrophage infiltration). It also markedly mitigated oxidative/nitrative stress (NOX-2 and NOX-4 expression, 4-HNE and 3-NT content) and cell death. The protective effects of BCP against biochemical and histological markers of nephropathy were absent in CB(2) knockout mice. Thus, BCP may be an excellent therapeutic agent to prevent cisplatin-induced nephrotoxicity through a CB(2) receptor-dependent pathway. Given the excellent safety profile of BCP in humans it has tremendous therapeutic potential in a multitude of diseases associated with inflammation and oxidative stress.

Hepatocellular toxicity of clopidogrel: Mechanisms and risk factors

Clopidogrel is a prodrug used widely as a platelet aggregation inhibitor. After intestinal absorption, approximately 90% is converted to inactive clopidogrel carboxylate and 10% via a two-step procedure to the active metabolite containing a mercapto group. Hepatotoxicity is a rare but potentially serious adverse reaction associated with clopidogrel. The aim of this study was to find out the mechanisms and susceptibility factors for clopidogrel-associated hepatotoxicity. In primary human hepatocytes, clopidogrel (10 and 100μM) was cytotoxic only after cytochrome P450 (CYP) induction by rifampicin. Clopidogrel (10 and 100μM) was also toxic for HepG2 cells expressing human CYP3A4 (HepG2/CYP3A4) and HepG2 cells co-incubated with CYP3A4 supersomes (HepG2/CYP3A4 supersome), but not for wild-type HepG2 cells (HepG2/wt). Clopidogrel (100μM) decreased the cellular glutathione content in HepG2/CYP3A4 supersome and triggered an oxidative stress reaction (10 and 100µM) in HepG2/CYP3A4, but not in HepG2/wt. Glutathione depletion significantly increased the cytotoxicity of clopidogrel (10 and 100µM) in HepG2/CYP3A4 supersome. Co-incubation with 1μM ketoconazole or 10mM glutathione almost completely prevented the cytotoxic effect of clopidogrel in HepG2/CYP3A4 and HepG2/CYP3A4 supersome. HepG2/CYP3A4 incubated with 100μM clopidogrel showed mitochondrial damage and cytochrome c release, eventually promoting apoptosis and/or necrosis. In contrast to clopidogrel, clopidogrel carboxylate was not toxic for HepG2/wt or HepG2/CYP3A4 up to 100µM. In conclusion, clopidogrel incubated with CYP3A4 is associated with the formation of metabolites that are toxic for hepatocytes and can be trapped by glutathione. High CYP3A4 activity and low cellular glutathione stores may be risk factors for clopidogrel-associated hepatocellular toxicity.

Evidence that N-acetylcysteine inhibits TNF-alpha-induced cerebrovascular endothelin-1 upregulation via inhibition of mitogen- and stress-activated protein kinase

N-acetylcysteine (NAC) is neuroprotective in animal models of acute brain injury such as caused by bacterial meningitis. However, the mechanism(s) by which NAC exerts neuroprotection is unclear. Gene expression of endothelin-1 (ET-1), which contributes to cerebral blood flow decline in acute brain injury, is partially regulated by reactive oxygen species, and thus a potential target of NAC. We therefore examined the effect of NAC on tumor necrosis factor (TNF)-alpha-induced ET-1 production in cerebrovascular endothelial cells. NAC dose dependently inhibited TNF-alpha-induced preproET-1 mRNA upregulation and ET-1 protein secretion, while upregulation of inducible nitric oxide synthase (iNOS) was unaffected. Intriguingly, NAC had no effect on the initial activation (i.e., IkappaB degradation, nuclear p65 translocation, and Ser536 phosphorylation) of NF-kappaB by TNF-alpha. However, transient inhibition of NF-kappaB DNA binding suggested that NAC may inhibit ET-1 upregulation by inhibiting (a) parallel pathway(s) necessary for full transcriptional activation of NF-kappaB-mediated ET-1 gene expression. Similar to NAC, the MEK1/2 inhibitor U0126, the p38 inhibitor SB203580, and the protein kinase inhibitor H-89 selectively inhibited ET-1 upregulation without affecting nuclear p65 translocation, suggesting that NAC inhibits ET-1 upregulation via inhibition of mitogen- and stress-activated protein kinase (MSK). Supporting this notion, cotreatment with NAC inhibited the TNF-alpha-induced rise in MSK1 and MSK2 kinase activity, while siRNA knock-down experiments showed that MSK2 is the predominant isoform involved in TNF-alpha-induced ET-1 upregulation.

Oxidative stress precedes peak systemic inflammatory response in pediatric patients undergoing cardiopulmonary bypass operation

Oxidative stress seems to contribute to cardiopulmonary bypass (CPB)-related postoperative complications. Pediatric patients are particularly prone to these complications. With this in mind, we measured oxidative stress markers in blood plasma of 20 children undergoing elective heart surgery before, during, and up to 48 h after cessation of CPB, along with inflammatory parameters and full analysis of iron status. Ascorbate levels were decreased by approximately 50% (P < 0.001) at the time of aorta cross-clamp removal (or pump switch-off in 4 patients with partial CPB), and associated with corresponding increases in dehydroascorbate (P < 0.001, r = -0.80) and malondialdehyde (P < 0.01, r = -0.59). In contrast to the immediate oxidative response, peak levels of IL-6 and IL-8 were not observed until 3-12 h after CPB cessation. The early loss of ascorbate correlated with duration of CPB (P < 0.002, r = 0.72), plasma hemoglobin after cross-clamp removal (P < 0.001, r = 0.70), and IL-6 and IL-8 levels at 24 and 48 h after CPB (P < 0.01), but not with postoperative lactate levels, strongly suggesting that hemolysis, and not inflammation or ischemia, was the main cause of early oxidative stress. The correlation of ventilation time with early changes in ascorbate (P < 0.02, r = 0.55), plasma hemoglobin (P < 0.01, r = 0.60), and malondialdehyde (P < 0.02, r = 0.54) suggests that hemolysis-induced oxidative stress may be an underlying cause of CPB-associated pulmonary dysfunction. Optimization of surgical procedures or therapeutic intervention that minimize hemolysis (e.g., off-pump surgery) or the resultant oxidative stress (e.g., antioxidant treatment) should be considered as possible strategies to lower the rate of postoperative complications in pediatric CPB.

Gamma-tocopherol supplementation inhibits protein nitration and ascorbate oxidation in rats with inflammation

Gamma-tocopherol (gammaT) complements alpha-tocopherol (alphaT) by trapping reactive nitrogen oxides to form a stable adduct, 5-nitro-gammaT [Christen et al., PNAS 94:3217-3222; 1997]. This observation led to the current investigation in which we studied the effects of gammaT supplementation on plasma and tissue vitamin C, vitamin E, and protein nitration before and after zymosan-induced acute peritonitis. Male Fischer 344 rats were fed for 4 weeks with either a normal chow diet with basal 32 mg alphaT/kg, or the same diet supplemented with approximately 90 mg d-gammaT/kg. Supplementation resulted in significantly higher levels of gammaT in plasma, liver, and kidney of control animals without affecting alphaT, total alphaT+gammaT or vitamin C. Intraperitoneal injection of zymosan caused a marked increase in 3-nitrotyrosine and a profound decline in vitamin C in all tissues examined. Supplementation with gammaT significantly inhibited protein nitration and ascorbate oxidation in the kidney, as indicated by the 29% and 56% reduction of kidney 3-nitrotyrosine and dehydroascorbate, respectively. Supplementation significantly attenuated inflammation-induced loss of vitamin C in the plasma (38%) and kidney (20%). Zymosan-treated animals had significantly higher plasma and tissue gammaT than nontreated pair-fed controls, and the elevation of gammaT was strongly accentuated by the supplementation. In contrast, alphaT did not significantly change in response to zymosan treatment. In untreated control animals, gammaT supplementation lowered basal levels of 3-nitrotyrosine in the kidney and buffered the starvation-induced changes in vitamin C in all tissues examined. Our study provides the first in vivo evidence that in rats with high basal amounts of alphaT, a moderate gammaT supplementation attenuates inflammation-mediated damage, and spares vitamin C during starvation-induced stress without affecting alphaT.

Immunodetection of 3-nitrotyrosine in the liver of zymosan-treated rats with a new monoclonal antibody: comparison to analysis by HPLC

Zymosan-induced peritonitis is associated with an increased production of reactive nitrogen oxides that may contribute to the often-observed failure of multiple organ systems in this model of acute inflammation. Quantitative biochemical evidence is provided for a marked 13-fold increase in protein-bound 3-nitrotyrosine (NTyr), a biomarker of reactive nitrogen oxides, in liver tissue of zymosan-treated rats. In order to investigate the localization of NTyr in this affected tissue, a monoclonal antibody, designated 39B6, was raised against 3-(4-hydroxy-3-nitrophenylacetamido) propionic acid-bovine serum albumin conjugate and its performance characterized. 39B6 was judged by competition ELISA to be approximately 2 orders of magnitude more sensitive than a commercial anti-NTyr monoclonal antibody. Binding characteristics of 39B6 were similar, but not identical, to that of a commercial affinity-purified polyclonal antibody in ELISA and immunohistochemical analyses. Western blot experiments revealed high specificity of 39B6 against NTyr and increased immunoreactivity of specific proteins from liver tissue homogenates of zymosan-treated rats. Immunohistochemical analysis of liver sections indicated a marked zymosan-induced increase in immunofluorescent staining, which was particularly intense in or adjacent to nonparenchymal cells, but not in the parenchymal cells of this tissue. Quantitative analysis of fractions enriched in these cell populations corroborated the immunofluorescent data, although the relative amounts detected in response to zymosan treatment was greatly reduced compared to whole liver tissue. These results demonstrate the high specificity of the newly developed antibody and its usefulness in Western blot and immunohistochemical analysis for NTyr, confirm the presence of NTyr by complementary methods, and suggest the possible involvement of reactive nitrogen oxides in hepatic vascular dysfunction.